7種綠肥作物種子萌發(fā)期耐低溫性的研究

趙陽(yáng)佳，麻玲源，南張杰，周吉紅，王俊英，周繼華，宋振偉，李潤(rùn)枝*

(1.農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，植物生產(chǎn)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，北京農(nóng)學(xué)院，北京102206；2.北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京100029；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

化肥、農(nóng)藥、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等化學(xué)物質(zhì)的使用，為大幅度提高農(nóng)作物產(chǎn)量做出巨大貢獻(xiàn)，但是也造成土壤中有機(jī)質(zhì)減少，土壤的保肥、保水能力下降，加劇了環(huán)境污染[1]。種植綠肥是中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，是提升耕地土壤有機(jī)質(zhì)水平的主要方法之一。種植綠肥，不僅可以改善土壤結(jié)構(gòu)，培肥地力，提供作物所需的養(yǎng)分，增加作物產(chǎn)量；還可以保持土壤的生產(chǎn)能力[2]。

中國(guó)北方地區(qū)主要是溫帶大陸性氣候，冬季寒冷，夏季溫?zé)醄3]。北京的冬季農(nóng)田休閑時(shí)間從每年10月到翌年4月，冬春季干旱、多風(fēng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了惡劣影響。同時(shí)，小麥等高耗水糧食作物面積的調(diào)減，加劇了京郊休閑農(nóng)田生態(tài)功能的惡化。因此，種植可替代小麥的越冬型綠肥或早春耐低溫型綠肥品種對(duì)建立高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的京郊綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展體系具有十分重要的意義。

本研究通過(guò)對(duì)低溫條件下綠肥種子萌發(fā)特性的研究，比較不同綠肥作物種子萌發(fā)期的耐低溫能力，篩選適宜京郊農(nóng)田早春種植的綠肥作物種類，為京郊農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 供試材料

7種綠肥作物種子為材料，包括紅三葉(Trifoliumpretense)、田菁(SesbaniaCannabina)、黑麥草(LoliumperenneL.)、紫云英(AstragalussinicusL.)、毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、油菜(BrassicacampestrisL.)和白三葉(TrifoliumpretenseL.)，以小麥(TriticumaestivumL.)為對(duì)照。其中，紫云英、毛葉苕子、小麥、油菜和白三葉種子為北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站提供，紅三葉、田菁和黑麥草種子在種子市場(chǎng)購(gòu)買。

1.2 試驗(yàn)方法

從供試種子中選取成熟、飽滿且大小適中、均勻一致、無(wú)病蟲害的健康種子，用1%的次氯酸鈉溶液浸種消毒10 min，無(wú)菌水沖洗3次，待用。

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)(CK)：在發(fā)芽盒中(12 cm×12 cm×6 cm)置2層濾紙，加入無(wú)菌水至濾紙飽和，消毒后的種子隨機(jī)選取100粒均勻擺放在發(fā)芽盒中的濾紙上，3次重復(fù)。然后，置于20 ℃人工智能植物培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d，種子發(fā)芽期間，每天觀察種子萌發(fā)情況并記錄發(fā)芽粒數(shù)，直到第10天發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束。種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：胚根突破種皮2 mm為發(fā)芽種子。

低溫發(fā)芽試驗(yàn)(CT)：種子發(fā)芽溫度為4 ℃，其他處理同標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

發(fā)芽試驗(yàn)期間和結(jié)束時(shí)測(cè)定發(fā)芽數(shù)，按照以下公式計(jì)算種子萌發(fā)指標(biāo)：發(fā)芽勢(shì)GE=初次計(jì)數(shù)發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽試驗(yàn)樣品粒數(shù)×100%；發(fā)芽率GP=末次計(jì)數(shù)發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽試驗(yàn)樣品粒數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)GI=Σ(Gt/Dt)；平均發(fā)芽時(shí)間MGT=Σ(Gt×Dt) /ΣGt。式中：Dt—發(fā)芽時(shí)間，Gt—與Dt相對(duì)應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)。

萌發(fā)指標(biāo)的相對(duì)值：相對(duì)發(fā)芽勢(shì)GGE=低溫發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照發(fā)芽勢(shì)×100%；相對(duì)發(fā)芽率GGP=低溫發(fā)芽率/對(duì)照發(fā)芽率×100%；相對(duì)發(fā)芽指數(shù)GGI=低溫發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照發(fā)芽指數(shù)×100%；相對(duì)平均發(fā)芽時(shí)間GMGT(倍)=低溫相對(duì)發(fā)芽時(shí)間/對(duì)照種子發(fā)芽時(shí)間。

1.4 耐低溫能力評(píng)價(jià)方法

種子萌發(fā)期的耐低溫能力的評(píng)價(jià)，參照何學(xué)青等[4]、孫景寬等[5]、穆懷彬等[6]提供的模糊數(shù)學(xué)隸屬法進(jìn)行評(píng)價(jià)，等級(jí)評(píng)價(jià)參照田山君等[8]的方法，其中，D值表示種子的耐低溫能力，該值越大，則表示耐低溫能力越強(qiáng)，反之越弱。

測(cè)定的數(shù)據(jù)采用Microsoft office 2010軟件整理，然后利用SPSS 23.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)據(jù)的多重比較采用LSD最小顯著差異法。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)7種綠肥作物種子活力的影響

8種作物種子經(jīng)低溫脅迫后種子的發(fā)芽指標(biāo)(表1)均受到不同程度的影響。其中，種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均下降，平均發(fā)芽時(shí)間均增加，說(shuō)明低溫下種子發(fā)芽能力降低。其中，在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)中，小麥種子發(fā)芽勢(shì)最高，為94%，顯著(P<0.05)高于其他幾種綠肥作物；黑麥草發(fā)芽勢(shì)為4%，顯著(P<0.05)低于其他幾種作物種子。低溫下，小麥、黑麥草、紅三葉、田菁和油菜的發(fā)芽勢(shì)均降低為0，顯著低于其他幾種作物種子。紫云英的發(fā)芽勢(shì)降低為2%；毛葉苕子、白三葉發(fā)芽勢(shì)分別為13%、9%，顯著高于其他幾種作物種子。

在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)中，小麥、毛葉苕子、黑麥草的發(fā)芽率分別為99%、95%、93%，顯著(P<0.05)高于其他幾種作物種子；田菁的發(fā)芽率為68%，顯著低于其他幾種作物種子。低溫下，田菁、黑麥草、紅三葉、油菜的發(fā)芽率均降低至2%以下，毛葉苕子發(fā)芽率最高，為76%，顯著高于其他幾種作物種子。

在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)中，油菜和小麥的發(fā)芽指數(shù)最高，分別為34.1和32.4，顯著(P<0.05)高于其他幾種作物種子；田菁與黑麥草的發(fā)芽指數(shù)顯著低于其他幾種作物種子。低溫下，油菜、紅三葉、黑麥草、田菁的發(fā)芽指數(shù)均降低至0.2以下，顯著低于其他幾種作物種子。毛葉苕子發(fā)芽指數(shù)最高，為9.3，顯著高于其他幾種作物種子。

在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)中，油菜平均發(fā)芽時(shí)間最短，為2.7 d，說(shuō)明出苗速度最快，顯著(P<0.05)快于其他幾種作物種子；黑麥草平均發(fā)芽時(shí)間最長(zhǎng)，為4.3 d，說(shuō)明出苗速度最慢，顯著慢于其他幾種作物種子。低溫下，8種作物種子發(fā)芽時(shí)間均增加，且田菁、小麥、紅三葉、黑麥草、紫云英的平均發(fā)芽時(shí)間均顯著高于白三葉和毛葉苕子。

2.2 7種綠肥作物種子萌發(fā)期耐低溫能力的差異

從表2看出，毛葉苕子和白三葉的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)分別為21%和20%，顯著(P<0.05)高于其他幾種作物種子。其他幾種作物種子的相對(duì)發(fā)芽勢(shì)僅為0～2%，且無(wú)顯著差異；毛葉苕子的相對(duì)發(fā)芽率最高，為80%，顯著高于其他幾種作物種子；紫云英、小麥的相對(duì)發(fā)芽率分別為51%、44%，顯著低于毛葉苕子；田菁、黑麥草、油菜和紅三葉的相對(duì)發(fā)芽率僅為0～2%，顯著低于其他幾種作物種子；毛葉苕子的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)最高，為32.1%，顯著高于其他幾種作物種子；小麥和紫云英的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)分別為13.5%、16.4%，顯著低于毛葉苕子；油菜、紅三葉、黑麥草、田菁的相對(duì)發(fā)芽指數(shù)分別為0.7%、0.7%、0.3%、0.0，顯著低于其他幾種作物種子；小麥的相對(duì)平均發(fā)芽時(shí)間最長(zhǎng)，為3.2 d，與油菜、紫云英差異不顯著，與其他幾種作物種子差異顯著，其受影響最大，相對(duì)出苗時(shí)間最長(zhǎng)；白三葉和黑麥草的相對(duì)平均發(fā)芽時(shí)間最短，分別2.0 d和2.3 d，顯著低于其他幾種作物種子，受影響最小，萌發(fā)速度最快。

2.3 不同萌發(fā)指標(biāo)的相關(guān)性分析

低溫脅迫下不同作物萌發(fā)指標(biāo)相關(guān)分析表明相對(duì)發(fā)芽勢(shì)與低溫發(fā)芽勢(shì)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.985，與低溫平均發(fā)芽時(shí)間呈顯著(P<0.05)負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.805；相對(duì)發(fā)芽率與低溫發(fā)芽率、低溫發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.999、0.995和0.988；相對(duì)發(fā)芽指數(shù)與低溫發(fā)芽率、低溫發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽率呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.986、0.998和0.988；相對(duì)平均發(fā)芽時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽勢(shì)呈正相關(guān)，與標(biāo)準(zhǔn)平均發(fā)芽時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.777和-0.810(表3)。由此可見(jiàn)，不同萌發(fā)指標(biāo)間存在相關(guān)性，對(duì)多個(gè)指標(biāo)綜合分析有助于減少鑒定誤差。

表1 小麥和7種綠肥作物種子在標(biāo)準(zhǔn)和低溫發(fā)芽試驗(yàn)中的萌發(fā)指標(biāo)Tab.1 Germination indexes of wheat and 7 green manure crops in standard and low temperature germination tests

a,b,c表示在0.05水平上有顯著性差異。

Note:a,b,c indicate a significant difference at the 0.05 level.

表2 小麥和7種綠肥作物種子在低溫脅迫下的相對(duì)萌發(fā)指標(biāo)Tab.2 The relative germination index of wheat and 7 green manure crops under low temperature stress

a,b,c表示在0.05水平上有顯著性差異。

Note: a,b,c indicate a significant difference at the 0.05 level.

表3 低溫脅迫下8種作物各指標(biāo)間相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of various indicators of 8 green manure crops under low temperature stress

**.在0.01級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著。**. At the 0.01 level (two-tailed), the correlation is significant.

*.在0.05級(jí)別(雙尾)，相關(guān)性顯著。*. At the 0.05 level (two-tailed), the correlation is significant.

2.4 模糊隸屬函數(shù)法對(duì)8種綠肥耐低溫能力綜合評(píng)價(jià)

供試的8種作物種子的12項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)的隸屬函數(shù)值(D值)表明，供試的8種作物種子的耐低溫能力差異較大，D值表示耐低溫能力的強(qiáng)弱，D值越大，表示其耐低溫能力就越強(qiáng)。因此，得出8種作物種子的耐低溫能力由強(qiáng)到弱依次為：毛葉苕子>白三葉>紫云英>小麥>油菜>紅三葉>黑麥草>田菁(表4)。

參照田山君等[8]的耐低溫能力的等級(jí)評(píng)價(jià)方法，可以分為3類：平均綜合評(píng)價(jià)值為0.34，將綜合評(píng)價(jià)值大于0.4的三種綠肥種子歸為強(qiáng)耐低溫種子，包括紫云英、毛葉苕子、白三葉；將在0.4～0.3范圍內(nèi)的小麥種子歸為中等耐低溫種子；將小于0.3的紅三葉、田菁、黑麥草、油菜的種子歸為弱耐低溫種子。

3 討論和結(jié)論

種子的活力至關(guān)重要，低溫在一定程度上會(huì)抑制種子活力，限制植物的正常生長(zhǎng)，降低其產(chǎn)量，甚至造成植株死亡[9-11]。在本試驗(yàn)中，由于低溫脅迫，導(dǎo)致8種作物的萌發(fā)指標(biāo)均顯著下降，李素玲和馬彥軍等[11-12]研究結(jié)果同樣表明，在低溫脅迫下，甜瓜、玉米和番茄種子發(fā)芽均受到顯著影響，發(fā)芽率降低，幼苗生長(zhǎng)緩慢。

表4 8種作物在低溫脅迫下各發(fā)芽指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值

Tab.4 The subordinate function values and comprehensive evaluation values of the eight indicators of green manure under low temperature stress

處理Deal with萌發(fā)指標(biāo)Germinate Index作物Crop紅三葉田菁黑麥草紫云英毛葉苕子小麥油菜白三葉低溫Low Temper-ature發(fā)芽勢(shì)0.0000.0000.0000.1251.0000.0000.0250.700發(fā)芽率0.0220.0000.0090.6071.0000.5680.0220.201發(fā)芽指數(shù)0.0190.0000.0080.5361.0000.4730.0250.222平均發(fā)芽時(shí)間0.0930.0000.1390.2400.6740.0340.6501.000標(biāo)準(zhǔn)Standard發(fā)芽勢(shì)0.4740.5070.0000.8590.6671.0000.8520.478發(fā)芽率0.4950.0000.8060.7530.8821.0000.6340.570發(fā)芽指數(shù)0.2630.0000.1310.7240.6190.8801.0000.311平均發(fā)芽時(shí)間0.3460.4800.0000.7500.5820.7921.0000.332相對(duì)Relative發(fā)芽勢(shì)0.0000.0000.0000.0951.0000.0000.0190.941發(fā)芽率0.0240.0000.0090.6321.0000.5460.0240.223發(fā)芽指數(shù)0.0220.0000.0100.5091.0000.4200.0220.260平均發(fā)芽時(shí)間0.5200.3400.8060.1800.6230.0000.1231.000D值0.1190.0650.1040.4300.8890.3710.2430.534排序68731452

種子萌發(fā)受種子自身因素影響很大，單一指標(biāo)不能充分說(shuō)明種子耐低溫能力的綜合情況[12-13]，本研究采用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)和低溫發(fā)芽試驗(yàn)中的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時(shí)間以及它們的相對(duì)值進(jìn)行分析，并通過(guò)耐低溫指標(biāo)的隸屬值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，目的就是排除種子自身因素的干擾，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)出種子耐低溫能力大小。作物的耐低溫能力是受多種因素共同影響的復(fù)雜性狀，萌發(fā)期鑒定出的較強(qiáng)抗性的種質(zhì)材料是否在苗期或者整個(gè)生育期也具有同樣的抗性還未可知，其相關(guān)程度還有待進(jìn)行苗期和全生育期的進(jìn)一步研究。

2008年開(kāi)始，北京市土肥工作站在房山、大興、順義等6個(gè)區(qū)縣示范二月蘭—春玉米種植技術(shù)，多年示范結(jié)果表明[14-15]早春種植綠肥作物，春季土壤覆蓋度達(dá)75%以上，防風(fēng)固沙效果明顯，而且能提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于培肥地力。因此，篩選適宜京郊早春種植的綠肥品種至關(guān)重要，本研究篩選出毛葉苕子、白三葉、紫云英種子的耐低溫性較強(qiáng)，可以作為京郊早春種植的備選綠肥品種，上述結(jié)果可為京郊進(jìn)一步發(fā)展綠肥作物提供參考。